郭風(fēng)光

(山西金象煤化工有限責(zé)任公司， 山西晉城 048000)

在最終產(chǎn)品為尿素的合成氨工藝中，脫碳工段處于承前啟后的關(guān)鍵位置。脫碳工段的作用是脫除上一個(gè)工段來的變脫氣中的CO2，為后工段提供合格的凈化氣，使凈化氣中CO2含量降到指標(biāo)以內(nèi)，同時(shí)為尿素工段提供合格的CO2原料氣體。2011年11月某化工公司年產(chǎn)180 kt合成氨、300 kt尿素項(xiàng)目投入正常生產(chǎn)，配套的合成氨氣體凈化系統(tǒng)的脫碳裝置采用變壓吸附脫碳[1]吹掃工藝，該裝置運(yùn)行到2019年9月，出現(xiàn)系統(tǒng)變壓吸附脫碳阻力大、有效氣體損失多、產(chǎn)品氣純度低等問題。

1 工藝流程

1.1 全廠工藝流程

該合成氨裝置由原料氣制備裝置、原料氣凈化裝置、原料氣壓縮裝置、氨合成裝置4個(gè)部分組成。

原料氣制備采用常壓固定床[2]制氣工藝，以無煙煤為原料，以富O2和蒸汽為氣化劑，在煤氣爐內(nèi)反應(yīng)，經(jīng)過吹風(fēng)、上吹、下吹、二次上吹、吹凈5個(gè)階段，生產(chǎn)出合格的半水煤氣送至氣柜。來自氣柜的半水煤氣經(jīng)過電捕焦裝置除去大部分的焦油和灰塵，再由羅茨鼓風(fēng)機(jī)加壓后經(jīng)過半脫工段用脫硫液初步脫除半水煤氣中的H2S后送至氮?dú)鋲嚎s機(jī)一段進(jìn)口總管。

原料氣凈化采用柴油超深度加氫脫硫(RTS)、全低溫變換[3]、變壓吸附脫碳、精脫硫、低壓聯(lián)醇、雙甲精制工藝，原料氣壓縮采用6級(jí)壓縮。來自氮?dú)鋲嚎s機(jī)一段進(jìn)口總管的半水煤氣經(jīng)氫氮壓縮機(jī)加壓后由壓縮三段出口進(jìn)入變換工段。變換工段將來自壓縮工段的半水煤氣與水蒸氣反應(yīng)，在一定溫度下借助觸媒的催化作用使其中的CO變換為CO2和H2。變換氣經(jīng)過變換氣脫硫工段，用脫硫液進(jìn)一步吸收H2S，使出口H2S含量降至規(guī)定指標(biāo)內(nèi)，然后送至變壓吸附脫碳工段。變壓吸附脫碳工段脫除變換氣中的CO2，為后工段提供合格的凈化氣，同時(shí)為尿素工段提供合格的CO2原料氣。凈化氣經(jīng)過精脫硫后送至壓縮四段加壓，然后送至低壓醇工段，在一定的溫度和壓力條件下，經(jīng)觸媒催化，將CO、CO2與H2反應(yīng)生成粗甲醇，儲(chǔ)存于粗醇槽。粗甲醇用泵送至甲醇精餾工段后精餾成精甲醇，存于甲醇庫。出低壓醇工段的原料氣經(jīng)壓縮五段、六段加壓后送至雙甲精制(醇烷化)工段，在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫l件下，通過甲醇催化劑的作用，使少量的CO、CO2與H2反應(yīng)生成氣態(tài)甲醇，經(jīng)降溫冷卻為液醇，由醇分離器將甲醇分離，液醇送往粗醇槽。醇后氣中含有微量的CO、CO2，進(jìn)入高壓烷化工段后，在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫l件下，通過甲烷催化劑的作用，微量的CO、CO2與H2反應(yīng)生成對(duì)合成氨觸媒無害的甲烷，并生成少量的水，經(jīng)冷卻分離除 去，使烷化氣中CO+CO2體積分?jǐn)?shù)小于10×10-6，然后送至氨合成工段。

氨合成采用國產(chǎn)中壓氨合成工藝[4]。經(jīng)過凈化后的氫氮?dú)庠谶m當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫l件下，借助于氨合成催化劑的作用合成為氨。所得的氣氨被冷凝分離出來；液氨送至氨罐，未合成氨的氫氮混合氣經(jīng)循環(huán)加壓進(jìn)行下一步反應(yīng)。高壓氫回收工段將氨合成工段送來的弛放氣用脫鹽水吸收氣氨，再用膜分離法提取其中高濃度的H2送往壓縮一段提壓后再回氨合成工段，稀氨水送至尿素工段。高壓氫回收工段的尾氣和氨罐來的弛放氣進(jìn)入無動(dòng)力氨回收工段回收處理后，一部分氣氨送至冰機(jī)，另一部分經(jīng)過低壓氫回收工段處理后送至三廢鍋爐。

尿素合成采用CO2汽提法工藝和造粒塔造粒工藝。來自變壓吸附脫碳工段的CO2進(jìn)入CO2壓縮機(jī)，加壓后與來自氨罐經(jīng)氨泵加壓后的液氨同時(shí)進(jìn)入尿素合成工段反應(yīng)。生成的尿液經(jīng)提濃后，由熔融泵送至造粒塔，經(jīng)噴淋冷卻后形成尿素顆粒。尿素顆粒經(jīng)皮帶運(yùn)輸送出后包裝入袋。

全廠流程方塊圖見圖1。

圖1 全廠流程方塊圖

1.2 變壓吸附脫碳流程

從變脫工段出來的氣體，經(jīng)汽水分離器除去游離水后進(jìn)入提純段吸附塔。提純后的氣體去凈化段吸附塔，脫除CO2后的凈化氣去精脫硫工段；提純段吸附塔產(chǎn)生的高純度CO2氣體供尿素合成使用。變壓吸附脫碳主要流程方塊圖見圖2。

圖2 變壓吸附脫碳流程方塊圖

1.2.1 提純段工藝流程

壓力為2.1～2.5 MPa、溫度小于40 ℃的變換氣由界外送入提純段，先經(jīng)汽水分離器除去游離水后進(jìn)入吸附塔，由下而上通過床層，出塔后的中間氣送入凈化段。

當(dāng)吸附塔前沿處與床層出口處的吸附劑，吸附雜質(zhì)的氣體濃度接近時(shí)，關(guān)閉吸附塔的變換氣閥和中間氣進(jìn)口閥，停止吸附，通過19次均壓步驟回收床層留存的氫氮?dú)猓缓笙冗\(yùn)行順放工序，以提純床層CO2濃度，再運(yùn)行逆放工序，回收CO2氣體供尿素合成使用。逆放工序結(jié)束后，利用凈化段吹掃氣解吸吸附的雜質(zhì)，使吸附劑得到再生，同時(shí)回收吹掃氣中的氫氮?dú)猓偕鷱U氣經(jīng)放空管排放至大氣。吹掃結(jié)束后，利用提純工段均壓氣和中間氣對(duì)床層逆向升壓，直至床層壓力接近吸附壓力，吸附床便開始進(jìn)入下一個(gè)吸附循環(huán)過程。

1.2.2 凈化段工藝流程

中間氣進(jìn)入凈化段吸附塔，由下而上通過床層，出塔后的凈化氣送往下一工段。當(dāng)吸附塔前沿處與床層出口處的吸附劑，吸附雜質(zhì)的氣體濃度接近時(shí)，關(guān)閉吸附塔的中間氣進(jìn)口閥和產(chǎn)品氣出口閥，停止吸附。通過4次均壓步驟回收吸附床層死空間的有效氣體，然后運(yùn)行順放工序，將塔內(nèi)氣體依次放入3個(gè)順放緩沖罐為吹掃做準(zhǔn)備。順放工序結(jié)束后進(jìn)行逆放工序，即將吸附塔氣體中可回收部分通過程控閥對(duì)提純段進(jìn)行二段升壓，其余不可回收氣體則通過程控閥放空至常壓，被吸附雜質(zhì)排入大氣使吸附劑得到初步再生。逆放工序結(jié)束后開始吹掃，3個(gè)順放緩沖罐中的氣體通過調(diào)節(jié)閥緩慢、勻速地對(duì)吸附塔進(jìn)行逐次吹掃，以進(jìn)一步解吸吸附劑上殘留的吸附雜質(zhì)，使吸附劑得到完全再生。吹掃結(jié)束后，利用凈化段均壓氣和產(chǎn)品氣對(duì)床層逆向升壓，直至床層壓力接近吸附壓力，吸附床便開始進(jìn)入下一個(gè)吸附循環(huán)過程。

2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

變壓吸附脫碳裝置的工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 變壓吸附脫碳裝置的工藝設(shè)計(jì)指標(biāo)

3 主要設(shè)備

變壓吸附脫碳采用兩段吹掃工藝，主要設(shè)備見表2。

表2 變壓吸附脫碳裝置主要設(shè)備

4 工藝原理

變壓吸附的基本原理是利用吸附劑對(duì)吸附質(zhì)在不同分壓下有不同的吸附容量，并且在一定壓力下對(duì)被分離的氣體混合物的各組分又有選擇吸附的特性，加壓吸附除去原料氣中雜質(zhì)組分，減壓脫附這些雜質(zhì)而使吸附劑獲得再生。

由于吸附劑需要再生，所以單一的固定吸附床操作，其吸附是間歇式的。對(duì)于變壓吸附循環(huán)過程，有3個(gè)基本工作步驟，即壓力下吸附、減壓解吸、升壓。

(1) 壓力下吸附。吸附床在工作壓力下通入被分離的氣體混合物，其中強(qiáng)吸附組分被吸附劑選擇性吸收，弱吸附組分從吸附床的另一端流出。

(2) 減壓解吸。吸附床壓力先降壓到大氣壓力，然后利用弱吸附組分通過需要再生的吸附床，被吸附組分的分壓隨吹掃氣通過而下降。

(3) 升壓。吸附劑再生完成后，用弱吸附組分對(duì)吸附床進(jìn)行充壓，直至吸附壓力。

因此，采用多個(gè)吸附床，循環(huán)地變動(dòng)所組合的各吸附床壓力，使吸附床的吸附和再生交替進(jìn)行，就可以達(dá)到連續(xù)分離氣體混合物的目的。

5 存在的問題

2019年3月，該公司盤活閑置設(shè)備后，通過變壓吸附脫碳裝置的氣量增加，出現(xiàn)了系統(tǒng)阻力大、有效氣體損失多、產(chǎn)品氣純度低等問題，分析原因主要為吸附塔空速過快、均壓閥內(nèi)漏、增壓風(fēng)機(jī)未投用、吸附程序不合理。

5.1 吸附塔空速過快

提純段吸附塔空速為0.077 m/s，凈化段吸附塔空速為0.070 m/s，均超過了吹掃流程吸附塔空速小于0.060 m/s的要求，不利于吸附，且單臺(tái)吸附塔阻力增加；解吸時(shí)吸附塔內(nèi)氣體不能最大程度回收，導(dǎo)致有效氣回收效率低。

5.2 均壓閥內(nèi)漏

氣量增加后，均壓程控閥所在的管線氣體沖刷增大，部分程控閥內(nèi)漏，吸附塔運(yùn)行吸附程序時(shí)有效氣體泄漏，導(dǎo)致有效氣回收效率低；吸附塔減壓解吸時(shí)不徹底，影響解吸效果，影響產(chǎn)品氣中CO2純度。

5.3 增壓風(fēng)機(jī)未投用

設(shè)計(jì)凈化段增壓風(fēng)機(jī)的目的是通過增壓風(fēng)機(jī)將凈化段部分解吸氣加壓返回提純段，減少凈化段解吸氣放空量，返回提純段進(jìn)行吹掃回收。開車初期嘗試將增壓風(fēng)機(jī)開啟，但增壓風(fēng)機(jī)沒有起到作用，氣量增加后也未投用，導(dǎo)致凈化段解吸氣未及時(shí)回收，有效氣回收效率低。

5.4 吸附程序不合理

提純段和凈化段同時(shí)運(yùn)行吸附程序的吸附塔數(shù)量較少，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加；提純段裝置只考慮了2次連續(xù)逆放，逆放后塔內(nèi)壓力仍有40 kPa，導(dǎo)致解吸效果差，循環(huán)時(shí)間短，不利于CO2提濃。

6 應(yīng)對(duì)措施

6.1 增加吸附塔數(shù)量

在原變壓吸附脫碳裝置工藝路線不變的基礎(chǔ)上，考慮到原裝置的配置和完整性，通過兩段各增加吸附塔，滿足了降低阻力需要。采用兩段法吹掃流程，在提純段增加7臺(tái)吸附塔，凈化段增加5臺(tái)吸附塔，使程序優(yōu)化具備硬件設(shè)施；解吸時(shí)最大程度地回收了吸附塔內(nèi)氣體，提高了有效氣回收效率。

6.2 增加限流孔板

在均壓程控閥閥前增加限流孔板，閥體和吸附塔處壓差降低，氣體沖刷閥體的情況明顯好轉(zhuǎn)，程控閥內(nèi)漏現(xiàn)象明顯消除，有效氣體泄漏減少，吸附塔解吸效果得到顯著提升。

6.3 投用增壓風(fēng)機(jī)

投運(yùn)增壓風(fēng)機(jī)后，將凈化段H2濃度較高的吹掃一、吹掃二解吸氣加壓后返回提純段吹掃回收，同時(shí)降低了凈化段吹掃一、吹掃二解吸壓力，延長凈化段循環(huán)時(shí)間，減少放空量，增加了回收氣量。

6.4 優(yōu)化程序

提純段和凈化段增加了同時(shí)運(yùn)行吸附程序的吸附塔數(shù)量，解決了吸附塔空速過快、不利于吸附、吸附塔阻力增加等問題；提純段裝置增加了逆放次數(shù)，逆放后塔內(nèi)壓力降至20 kPa，解吸效果明顯提升，產(chǎn)品氣中CO2純度達(dá)標(biāo)。提純段和凈化段程序改造前后對(duì)比見表3。

表3 提純段和凈化段程序改造前后對(duì)比

7 運(yùn)行效果

經(jīng)過改造后，系統(tǒng)阻力由0.25 MPa降低為0.12 MPa；有效氣體損失減少，在前系統(tǒng)條件不變的情況下，總氨平均日產(chǎn)量由1 135.87 t增加到1 174.38 t；產(chǎn)品氣中CO2純度由92%～98%提高到98.5%以上，滿足生產(chǎn)需求。

8 結(jié)語

通過對(duì)變壓吸附脫碳工段工藝的認(rèn)真分析與觀察，對(duì)變壓吸附脫碳裝置進(jìn)行改造，有效降低了系統(tǒng)阻力，回收了有效氣體，提高了產(chǎn)品氣純度，效果明顯，運(yùn)行穩(wěn)定。